Диссертация (1141478), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Более того, обработка рисовой соломы KOH привела кулучшению прорастания до 371%, что обуславливает возможность использованияобработанной гидроксидом калия рисовой соломы в сельскохозяйственной областив качестве растительного удобрения.С другой стороны, исследования показали, что нецелесообразно использовать88сырую рисовую солому (без обработки) в установках рыборазведения, особенноесли время контакта превышает 12 часов, поскольку такие компоненты, какдиоксид кремния и целлюлоза попадают в воду и оказывают негативное влияние нарастения и рыб, что подтверждает низкая скорость прорастания семян овса изначение эффекта торможения, равное 31,6%.Выводы по главе 41.
Характеристики исходной рисовой соломы обуславливают необходимостьее предварительной активации перед использованием в качестве сорбента.Высокое содержание оксида кремния в рисовой соломе требует предварительнойхимической обработки перед другими способами активации.2.Способыактивациирисовойсоломызамораживаниемиконцентрированными солнечными лучами требуют дальнейших исследований,приведенных в следующей главе, чтобы сделать вывод о возможности ихприменения.3.
Оптимальными способами активации рисовой соломы являютсяпредварительная химическая обработка гидроксидом натрия и последующаякарбонизация в муфельной печи при температуре 600 oС.4. Тест на фитотоксичность показал, что активированная различнымиспособами рисовая солома не оказывает вредного влияния на растения и рыб иможет применяться для очистки воды в установках рыборазведения.895 Глава 5 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ5.1Исследование сорбционных свойств рисовой соломы РСII5.1.1Зависимость эффективности сорбции азота аммонийного отдозы сорбента и времени контактаДляопределенияпараметровпроцессаадсорбциизагрязненийнамодифицированной рисовой соломе РСII в колбы с модельным раствором азотааммонийного с концентрациями 3, 8, 12, 16 и 25 мг/л по NH4+ добавили навескисорбента в количестве 0,25, 0,5 и 1 г.
Колбы перемешивали с помощью магнитноймешалки с количеством оборотов 120 мин-1 при комнатной температуре (25 ± 0,5°С)в течение 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 90 и 120 мин. Далее полученные растворыфильтровали через фильтр "синяя лента", после чего в фильтрате определялиостаточныеконцентрацииионоваммониянаиономереExpert001.Экспериментальные данные измерялись в трех повторных опытах с вычислениемсредних значений. Взаимосвязь между скоростью адсорбции и временем контактаопределяет кинетику адсорбции.Эффективность адсорбции NH4+ в зависимости от времени контакта иначальных концентраций ионов аммония показан на Рисунке 5.1.90Рисунок 5.1 – Кинетика адсорбции NH4+ на RСII (температура 25 ± 0,5 °C, pH=7,5, CoNH4+ = 3, 8, 12, 18 и 25 мг/л)Данные рисунка 5.1 свидетельствуют, что в интервале исследованныхконцентраций (3–25 мг/л) процесс адсорбции азота аммонийного на рисовойсоломе РСII проходит в три основные стадии: быструю, медленную и равновесную.В быстрой стадии, которая длится до 15 минут, скорость адсорбциипрактически линейно возрастает до исчерпания приблизительно половиныадсорбционной емкости.Адсорбция NH4+ замедляется на второй (медленной) стадии, котораянаблюдается после 15 мин до равновесной стадии адсорбции через 60 мин.
Приэтом можно сделать вывод, что скорость адсорбции повышается с увеличениемначальной концентрации NH4+ на всех стадиях исследования.Увеличение скорости реакции на быстрой стадии может быть объяснено тем,что анионные группы с отрицательными зарядами, такие как -COO-, расположенына поверхности адсорбента. Эти группы в первую очередь взаимодействуют сионами аммония. После реакции NH4+ с анионными группами начинаетсямедленная стадия, во время которой происходит адсорбция на внутреннем скелете91модифицированной рисовой соломы.Таким образом, можно утверждать, что механизм адсорбции NH4+ на РСIIсостоит из двух реакционных процессов. Увеличение концентрации аммония врастворе приводит к насыщению раствора, что увеличивает вероятностьадсорбции, а также ее скорость.Для математического описания полученных экспериментальных данных ипроверки предложенного механизма адсорбции в соответствии со сведениями,приведенными во 2-ой главе данной работы, использовались модели псевдопервого порядка, псевдо-второго порядка, Эловича и Лайнуивера-Берка.Модель псевдо-первого порядка приведена на рисунке 5.2.Рисунок 5.2 –Модель псевдо-первого порядкаМодель псевдо-второго порядка приведена на рисунке 5.3.92Рисунок 5.3 –Модель псевдо-второго порядкаМодель Лайнуивера-Берка приведена на рисунке 5.4.Рисунок 5.4 –Модель Лайнуивера-БеркаМодель Эловича приведена на рисунке 5.5.93Рисунок 5.5 –Модель ЭловичаВ таблице 5.1 приведены параметры полученных кинетических моделейадсорбции с коэффициентами детерминации R2 и экспериментальные значения дляпяти начальных концентраций раствора NH4Cl.Таблица 5.1 – Расчетные параметры кинетических моделейПсевдо-первогопорядкаМодельCaqexpbK1qeмг/лмг/гмин-1мг/гR2Псевдо-второгопорядкаK2qeг мг-1мин-1мг/гR2Лайнуивера- БеркаЭловичаг/мгмг/гR2kmR23,1510,071,10,970,0361,420,990,4100,1640,9759,40,87820,144,250,970,0163,040,980,6830,3050,99-9,510,77122.60,031,80,950,0272,870,990,5890,0040,98-10,70,89183,550,042,670,980,0213,900,980,6481,3540,93-15,50,96254,50,044,10,870,0125,220,981,0530,7200,92-25,50,85Примечание:Ca – исходная концентрацию азота аммонийного в водном растворе, мг/л;qexpb – значения адсорбционной емкости после достижения равновесия.94По полученным значениям R2 уравнения Эловича, псевдо-первого и псевдовторого порядка пригодны для описания процесса адсорбции, при этом значения R2больше 0,87.
Модель Лайнуивера-Берка не может быть применена для описаниякинетики адсорбции, поскольку для отдельных концентраций значение R2 равно0,77.Величина R2 и уменьшение значения коэффициента K2 (г мг-1 мин-1) приувеличении концентрации аммония в растворе показывают, что уравнение псевдовторого порядка обеспечивает лучшую сходимость расчетных значений сэкспериментальными.
К тому же вычисленные значения qe также согласуются сэкспериментальными данными, поэтому модель псевдо-второго порядка можетбыть использована для расчета кинетического процесса адсорбции NH4+. Модельпсевдо-второго порядка показала высокую надежность и стабильность, этодоказывают величина R2, равная 0,99, и среднее значение qe, равное 2,6 мг/г, чтоможно увидеть на рисунке 5.4.Вышеприведенные результаты свидетельствуют, что эта модель являетсядопустимой для математического описания адсорбции NH4+ на модифицированнойрисовой соломе РСII.Параметры модели псевдо-второго порядка представлены в таблице 5.2.
Приэтом средняя абсолютная процентная погрешность (MAPE) равна 3,67% инаходится на допустимом уровне для инженерных расчетов.Среднюю абсолютную процентную погрешность MAPE рассчитывали поуравнению, которое представлено ниже [144]:MAPE = −100(∑||)=1,(5.1)где λ – количество точек данных в каждом наборе;qexp и qmodel – экспериментальные и расчетные значения адсорбционнойемкости после достижения равновесия.95Таблица 5.2 – Сравнение расчетных qe и экспериментальных показателей qexpсорбционной емкости в модели псевдо-второго порядка при разных концентрацияхадсорбента RСIIКонцентрацияадсорбента,qexp,мг/гмг/50млПараметры модели псевдо-второго порядкаK2,qe,г мг-1мин-1мг/гR2MAPE0,052,10,0362,40,9936,41%0,12,60,0262,80,9963,45%0,22,80,0762,60,9911,15%Для проверки адекватности описания процесса сорбции азота аммонийногона рисовой соломе РСII с помощью вышеприведенных кинетических моделейпроведено сравнение расчетных и фактических показателей очистки модельнойводы от ионов аммония.
Результаты сравнения приведены на рисунке 5.6.Рисунок 5.6 – Сравнение сорбции азота аммонийного в различных кинетическихмоделяхДанные таблицы 5.2 и рисунка 5.6 подтверждают обоснованность выборауравнения кинетической модели псевдо-второго порядка в качестве расчетной для96описания процесса сорбции аммония на рисовой соломе РСII.5.1.2Влияние температуры на эффективности сорбцииаммонийного азотаКак известно, температура является важным фактором процесса сорбции, вомногом определяющим аппаратурное оформление технологии, в т.
ч. и при очисткеводы. Для наших исследований необходимо выяснить зависимость процессаадсорбции ионов аммония на полученном сорбенте РСII от температуры.В соответствии с рекомендациями, изложенными во 2-ой главе, для анализаэкспериментальных данных использовались модели Ленгмюра и Фрейндлиха. Приэтомучитывали,чтоизотермаЛенгмюраописываетпроцесссорбции,происходящей на определенных гомогенных участках тела адсорбента, посколькупринимается, что адсорбция для всех участков постоянна, а изотерма Фрейндлихаподразумевает сорбцию на гетерогенной поверхности (многослойная адсорбция) снеравномернымраспределениемадсорбционныхцентровпоповерхностисорбента, что более адекватно описывает изучаемый процесс.Во время экспериментов для обеспечения оптимальных условий адсорбцииаммония на всех стадиях очистки контролировали температуру (25 ± 2°С) и рН (7,5± 0,5).Полученная в результате экспериментов модель Ленгмюра приведена нарисунке 5.7, модель Фрейндлиха – на рисунке 5.8.97Рисунок 5.7 – Изотерма адсорбции NH4+ на RСII по модели ЛенгмюраРисунок 5.8 – Изотерма адсорбции NH4+ на RСII по модели ФрейндлихаВ таблице 5.3 приведены расчетные параметры математических моделей икоэффициенты корреляции.Таблица 5.3 – Расчетные параметры для моделей Ленгмюра и ФрейндлихаМодель ЛенгмюраKl, л/мгqmax, мг/гR20,2604,2510,98Модель ФрейндлихаKf, л/мгnR20,8221,6230,9998Значения коэффициентов корреляции R2 показывают, что модели Фрейндлихаи Ленгмюра с большой точностью описывают процесс адсорбции NH4+ намодифицированной рисовой соломе, причем значения R2 больше 0,98 для всехмоделей, но модель Фрейндлиха совпадает с экспериментальными данными лучше,чем модель Ленгмюра, так как величина коэффициента корреляции R2 выше, чем вмодели Ленгмюра, и равна 0,99.
Кроме того, константа n для изотермы Фрейндлихаизмеряет интенсивность обмена или поверхностную неоднородность сорбента, атакже указывает на легкость протекания процесса адсорбции, если n>1, как в нашемслучае.На рисунке 5.9 приведено сравнение экспериментальных данных присорбции азота аммонийного на рисовой соломе РСII с математическими моделямиЛенгмюра и Фрейндлиха.Рисунок 5.9 –Сравнение экспериментальных данных с данными моделейЛенгмюра и ФрейндлихаРезультаты сравнения указывают на преимущественно гетерогеннуюадсорбцию, адекватно описываемую изотермой Фрейндлиха, происходящую как на99поверхности карбонизированной рисовой соломы РСII, так и во внутреннихканалах, что подтверждает ранее сделанную гипотезу, что механизм адсорбцииNH4+ состоит из двух реакционных процессов.Зависимости по Фрейндлиху были установлены при температуре 25 ± 2 °С.Однако на практике температурный режим очищаемой воды изменяется в течениесуток (день-ночь) и по сезонам года, поэтому необходимо определить показателисорбции в более широком диапазоне температур.При экспериментальном исследовании навеска адсорбента РСII составляла0,1 г на 50 мл модельного раствора с начальной концентрацией аммония С0 = 12мг/л, при этом значение рН составляло 7,5 ± 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
